Метод і пристрій електрохемілюмінесцентного вимірювання компонентів біорідин на прикладі гістаміну

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

ХРУСТАЛЬОВ КИРИЛО ЛЬВОВИЧ

УДК 535.37:543.8:615.47:616-074

МЕТОД І ПРИСТРІЙ ЕЛЕКТРОХЕМІЛЮМІНЕСЦЕНТНОГО ВИМІРЮВАННЯ КОМПОНЕНТІВ БІОРІДИН НА ПРИКЛАДІ ГІСТАМІНУ

Спеціальність 05.11.17 - медичні прилади та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Рожицький Микола Миколайович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри біомедичних електронних пристроїв та систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Піротті Євген Леонідович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри вищої математики;

доктор технічних наук, професор Черенков Олександр Данилович, Харківський державний технічний університет сільського господарства, завідувач кафедри електропостачання в сільському господарстві.

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, кафедра фізичної та біомедичної електроніки, м. Київ.

Захист відбудеться 30 грудня 2002 р. о 1230 годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.05 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий 29 листопада 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Мустецов М. П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз біологічних рідин (кров, сеча, ін.) є важливим для вирішення істотних проблем медицини і біології, зокрема, імунодіагностики, імунотерапії, фармакології, онкології, ендокринології, епідеміології, профілактики інфекційних хвороб. У той же час аналіз біорідин з метою виміру їхніх окремих компонентів, тобто речовин, що використовуються при діагностиці, є складною задачею через потенційно велику кількість компонентів, які присутні у біопробі, та їхніх малих концентрацій. Серед різних компонентів таких рідин дуже важливу роль відіграють біогенні аміни (БА) - нормальні метаболіти організму людини і тварин. Висока фізіологічна активність БА виявляється в регуляції життєвих функцій організму, в процесах метаболізму тощо. Серед БА, таких, як серотонін, допамін, ацетилхолін та інші, особливо варто виділити гістамін (ГА) - біогенний амін ряду імідазолу, що утворюється в організмі при дезамінуванні або декарбоксилуванні амінокислоти гістидину. Гістамін є гормоноїдом, що діє на багато фізіологічних процесів в організмі подібно гормонам, але утворюється, на відміну від них, не в залозах внутрішньої секреції, а в інших органах і тканинах. У звичайних умовах ГА знаходиться в організмі переважно в зв'язаному, неактивному стані. При різних патологічних процесах (насамперед, алергійні захворювання, склерозування внутрішніх органів, опіки, відмороження) кількість вільного ГА збільшується. Гістамін, що звільнюється під дією різних патогенних факторів (проникаюча радіація, бактеріальні токсини, гіпоксія, травми, токсичні хімічні речовини - морфін, рентгеноконтрастні препарати, які містять йод, курареподібні речовини, високомолекулярні сполуки, лікарські засоби) має високу активність - це веде до гістамінового отруєння. Шляхами інактивації ГА є ферментні механізми деструкції - окисне дезамінування та ін.

З огляду на значну роль ГА в різних процесах in vivo та широке застосування препаратів з антигістаміновою дією в клінічній практиці істотного значення набувають методи визначення ГА. Найбільш поширеним є люмінесцентне визначення БА, зокрема, ГА. Однак при очевидних достоїнствах цього методу аналізу він має недоліки: обмеження принципового характеру (“світловий шум” системи з-за наявності світла, яке збуджує люмінесценцію реагенту, аутофлуоресценція й ін.), що не дозволяють досягти високих метрологічних характеристик аналізу, а також складність і достатня дорожнеча апаратури. Проведений автором аналіз методів визначення БА показав актуальність розробки нових ефективних, доступних і економічних біомедичних інформаційних систем і технологій аналізу подібних компонентів біорідин. Великого значення набуває зниження межі виявлення, враховуючи дуже низький вміст ГА в біооб'єктах (10-910-12 г/мл), і підвищення селективності визначення таких компонентів, що необхідно для ранньої діагностики різних патологій.

У роботі розроблено електрохемілюмінесцентний (ЕХЛ) метод визначення біогенного аміну - гістаміну і відповідний пристрій на базі оптохемотронного (ОХ) сенсора для виміру вмісту даної речовини медико-біологічного значення, що присутня як компонент різних біорідин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження та розробки проводились у рамках наукового напрямку “Розробка електрохемілюмінесцентних методів і засобів контролю рідких і твердих тіл” кафедри БМЕ ХНУРЕ по держбюджетним НДР: № 114-1 “Дослідження електрохімічної люмінесценції з метою подальшого удосконалення методів гомогенного і гетерогенного аналізу” (державний реєстраційний номер 0100U003418), № 143-1 “Дослідження фізичних і хімічних процесів у електрохемілюмінесцентних системах для розробки нових оптохемотронних сенсорів з використанням у біомедицині і екології” (державний реєстраційний номер 0102U001582).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методу і пристрою електрохемілюмінесцентного визначення речовин медико-біологічного значення на прикладі виміру вмісту гістаміну.

Для досягнення цієї мети були поставлені і розв'язані наступні задачі:

- провести аналіз існуючих люмінесцентних методів і засобів виміру компонентів рідин, що використовуються в біомедичних дослідженнях;

- провести математичне моделювання з використанням фізичної (рекомбінації часток) і математичної (напівемпіричний метод самоузгодженого поля квантової механіки) моделей процесів в аналітичній системі гістамін - електрохемілюмінофор-реагент;

- запропонувати й обґрунтувати електрохемілюмінесцентний метод виміру гістаміну як компонента рідких середовищ медико-біологічного значення з використанням ЕХЛ-реагенту;

- провести експериментальні дослідження аналітичної модельної системи гістамін - електрохемілюмінофор-реагент;

- розробити принципи побудови пристрою на базі оптохемотронного сенсора з використанням запропонованого ЕХЛ-методу виміру гістаміну як компонента біорідин;

- на основі результатів розробок запропонувати ЕХЛ-технологію для визначення гістаміну.

Об'єкт дослідження: метод електрохемілюмінесцентного визначення компоненту об'єктів медико-біологічного значення - гістаміну.

Предмет дослідження: принципи побудови електрохемілюмінесцентного пристрою для виміру вмісту компонентів біорідин, властивості пристрою - оптохемотронного сенсора з рідким розчином компоненту (гістаміну), що вимірюється.

Методи дослідження. У роботі використовувались теоретичні та експериментальні методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтуються на розробці методу електрохемілюмінесцентного визначення речовин медико-біологічного значення, математичному комп'ютерному моделюванні процесів в аналітичній системі в ОХ-сенсорі, на базі запропонованих фізичної і математичної моделей, з залученням положень теорії електрохімічної люмінесценції рідких об'єктів, теорії рекомбінаційних процесів у рідких середовищах, апарату квантової механіки, теорії побудови оптико-електронних систем, статистичних методів обробки результатів вимірів аналітичних сигналів. Експериментальні дослідження проводилися у модельних аналітичних системах з використанням електрохемілюмінесцентної аналітичної апаратури.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше проведено математичне моделювання процесів взаємодії гістамін - електрохемілюмінесцентний реагент в аналітичній системі з використанням квантово-механічної мікроскопічної моделі, що дало можливість запропонувати ефективний ЕХЛ-реагент для визначення гістаміну.

2. Запропоновано новий електрохемілюмінесцентний метод визначення компонентів біооб'єктів на прикладі гістаміну, що уможливило проводити вимір вмісту гістаміну шляхом реєстрації інтенсивності сигналу ЕХЛ речовини-реагенту.

3. Сформульовано концепції побудови ЕХЛ-пристрою для біомедичних задач, що вимірює вміст компонентів біооб'єктів - біогенного аміну - гістаміну з використанням запропонованого ЕХЛ-методу, що дозволило розробити оригінальний ОХ-сенсор як центральний елемент пристрою.

4. Шляхом математичного моделювання процесів дифузійного переносу речовин в аналітичній системі обчислено оптимальні для проведення непрямого ЕХЛ-аналізу співвідношення вмісту аналіту й реагенту та проведено експериментальні дослідження аналітичної системи з метою визначення гістаміну, що підтвердили коректність вибору ЕХЛ-реагенту на базі отриманих розрахункових результатів.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Сформульовано вимоги, необхідні для проектування пристрою електрохемілюмінесцентного визначення речовин у біорідинах медико-біологічного значення.

2. Запропоновано конструкцію оптохемотронного сенсора.

3. На базі запропонованого електрохемілюмінесцентного методу аналізу розроблена технологія визначення гістаміну в рідких об'єктах з залученням результатів математичного моделювання й експериментальних досліджень; це дало можливість істотно поліпшити ряд метрологічних характеристик аналізу в порівнянні з відомими люмінесцентними методами (акт впровадження в ХНУРЕ).

4. Результати було застосовано в практиці робіт відділу проблем лабораторної діагностики та імунології Інституту патології хребта та суглобів ім. проф. М. І. Ситенка АМН України при визначенні важливого для діагностики низки захворювань людини біогенного аміну - гістаміну (акт впровадження в Інституті патології хребта та суглобів ім. проф. М. І. Ситенка АМН України).

5. Результати проведених досліджень були використані у навчальному процесі ХНУРЕ у вигляді нових лабораторних робіт та лекційного матеріалу в курсах:

“Основи біофізики та біомеханіки” для студентів спеціальності 7.091002 Біотехнічні та медичні апарати та системи (акт впровадження в ХНУРЕ);

“Біофізика та взаємодія фізичних полів з біооб'єктами” для студентів спеціальності 7.090804 Фізична та біомедична електроніка (акт впровадження в ХНУРЕ);

“Оптохемотроніка” для студентів спеціальності 7.091101 Лазери та оптоелектронна техніка (акт впровадження в ХНУРЕ).

Особистий внесок здобувача.

Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У роботах [5,9], виконаних у співавторстві з науковим керівником, автору належать вибір методів досліджень, а також способів вирішення поставленої задачі.

У публікаціях, написаних у співавторстві з колегами [1-6,8-15,17,18], особистий внесок здобувача в кожну з цих статей є визначальним, що підтверджується наступними новими науковими результатами, які отримані автором особисто.

1. Розроблено електрохемілюмінесцентний метод визначення речовин медико-біологічного значення, що дозволяє проводити вимір відповідних компонентів біорідин по інтенсивності ЕХЛ речовини-реагенту [4,5].

2. Проведено математичне моделювання процесів в аналітичній системі з реагентом та аналітом із використанням квантово-механічної моделі [11,13,15,17,18].

3. Розроблено основні принципи застосування ЕХЛ-реагентів, що дозволяють здійснювати цілеспрямований підбір реагентів на заданий компонент біорідини для біомедичних аналітичних задач [1,2,10,13].

4. Запропоновано принципи побудови ЕХЛ-пристрою для виміру компонентів об'єктів, важливих для біомедичних задач (на прикладі гістаміну) [7,9,12,16].

5. За допомогою електрохемілюмінесцентного методу аналізу, з залученням результатів математичного моделювання і експериментальних досліджень, запропоновано ЕХЛ-технологію визначення гістаміну, що міститься в рідких пробах [3,11,14].

6. Висвітлено принципові можливості і перспективність використання явища електрохемілюмінесценції для визначення, окрім гістаміну, інших компонентів медико-біологічного значення [6,8].

Апробація результатів дисертації.

Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювались на різних загальноукраїнських і міжнародних конференціях і форумах і опубліковані у відповідних збірниках (12 конференцій, з яких 12 - міжнародні). А саме: на Всеукраїнській (з міжнародною участю) конференції по аналітичній хімії, присвяченій 100-річчю з дня народження проф. М.П. Комаря (Харків, травень, 2000); на XX Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы физической и биомедицинской электроники” (Київ, червень, 2000); на 6 Міжнародній конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (“Новые информационные технологии”) (Харків, вересень 2000); на 5 Міжнародному молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке” (Харків, квітень, 2001); на 3 Міжнародній конференції "Моделирование лазерных и волоконно-оптических систем - LFNM” (3-rd International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling) (Харків, травень, 2001); на XXІ Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы физической и биомедицинской электроники” (Київ, червень, 2001); на 10 Міжнародному симпозіумі “Перспективные дисплейные технологии” (10th SID Symposium Advanced Display Technologies. - Minsk, 2001) (Мінськ, вересень, 2001); на 7 Міжнародній конференції “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (Харків, жовтень 2001); на Міжнародній конференції по люмінесценції, присвяченій 110-річчю з дня народження академіка С.І. Вавілова (Москва, жовтень 2001); на XIV Всеросійській науково-технічній конференції студентів, молодих вчених і фахівців “Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы” (Биомедсистемы 2001) (Рязань, грудень 2001); на 6 Міжнародному молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке” (Харків, квітень, 2002); на XXІІ Міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы электроники” (Київ, червень, 2002).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 18 наукових працях, а саме: у 5 статтях в українських виданнях, що входять до переліку наукових фахових видань, затвердженому ВАК України, в 1 статті - в журналі “Медицина і…” та 12 публікаціях у тезах доповідей і матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі списку умовних скорочень і позначень, вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і 5 додатків. Загальний обсяг роботи 160 стор., із яких список умовних скорочень і позначень займає 4 стор., 29 рисунків, із них 28 рисунків у тексті, а 4 рисунка повністю займають 3 стор., 4 таблиці, додатки займають 13 стор. Список використаних джерел складається з 116 найменувань і займає 11 стор. тексту. Основний зміст роботи викладено на 129 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, проведено огляд стану проблеми, визначено задачі дослідження, зв'язок із програмами і темами НДР, сформульовано розв'язувані науково-технічні задачі і мету роботи, визначено особистий внесок здобувача в опублікованих роботах, надано інформацію про апробацію результатів дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено огляд біомедичних методів і пристроїв, що використовують явище люмінесценції, включно з хемілюмінесценцією (ХЛ) і електрохемілюмінесценцією, у біомедичних задачах. Аналіз публікацій у науково-технічній літературі показує, що люмінесценція становить особливий інтерес для біологічних і медичних досліджень. За допомогою цього оптичного каналу можливе одержання унікальної інформації про біофізичні та біохімічні процеси, що протікають на рівні молекул і вільних радикалів у клітинах, тканинах та органах організму. При застосуванні люмінесцентного аналізу в клінічній практиці для діагностики використовують різні біооб'єкти, найбільш часто - кров. Інформацію про якісний і кількісний склад багатьох з біологічно важливих у діагностиці речовин, що присутні в організмі та не мають власної люмінесценції, одержують шляхом уведення спеціальних люмінофорів (реагентів або маркерів).

У зв'язку з тим, що ЕХЛ синтезує в собі основні закономірності електрохімії і люмінесценції, при розгляді основних переваг і обмежень ЕХЛ-аналізу (ЕХЛА) органічних сполук у першому розділі проведено його співставлення з найбільш близькими аналогами - електрохімічними (вольтамперометричними), флуоресцентними і ХЛ-методами та відзначено позитивні якості ЕХЛА в порівнянні з цими методами.

Більшість розглянутих у роботі пристроїв для реєстрації різних видів люмінесценції не дозволяють проводити безупинно велику кількість визначень, що потрібно в реальних умовах клінічних лабораторій; вони не можуть забезпечити високої чутливості; для них характерна відсутність єдиної апаратурної і метрологічної основи, що приводить до труднощів у співставленні результатів різних досліджень. Велика кількість досліджень в області люмінесценції свідчить про актуальність робіт з технічного переозброєння люмінометрії на сучасному рівні і, зокрема, розробці теоретичних і прикладних аспектів люмінесцентної техніки, створенню нової апаратурної й елементної бази з використанням нових люмінесцентних явищ, таких як ЕХЛ. Але його застосуванню у біомедичній практиці перешкоджає практично повна відсутність як розроблених засад методів аналізу, що ґрунтуються на принципі випромінювання світла під час електрохімічного збудження рідких об'єктів, тобто ЕХЛ, так і розробок пристроїв для проведення ЕХЛ-аналізу таких об'єктів з метою визначення в них компонентів, важливих для діагностики. Проблемою впровадження ЕХЛА біооб'єктів у практику є необхідність вирішення комплексу теоретичних, експериментальних і методичних питань, через достатню неординарність даного явища.

Розглянуто шляхи метаболізму біогенного аміну - гістаміну, його важливість у фізіології та, особливо, патології й клінічній практиці. Це обумовлює необхідність розробки сучасних методів визначення ГА з метою діагностики, найбільш поширеними з яких є люмінесцентні. Останні, однак, мають низку завад, які не притаманні ЕХЛА. Відзначено відсутність розробок, націлених на визначення ГА за допомогою методу ЕХЛА, та відповідного аналітичного обладнання. Тому мета дисертаційної роботи та відповідні задачі для її вирішення є, без сумніву, актуальними.

У другому розділі на базі розглянутих фізичної та математичної моделей процесів в аналітичній системі аналіт (вимірюваний компонент) - ЕХЛ-реагент, проведено математичне моделювання з метою обґрунтування вибору реагенту на даний аналіт у зв'язку із складністю процесів в таких системах.

Фізична модель процесів, що протікають в аналітичній системі ОХ-сенсорі, що містить електрохемілюмінофор (реагент) А і компонент (аналіт) X, полягає в електронній взаємодії реагенту та аналіту, що приводить до випромінювання оптичного аналітичного сигналу сенсора - квантів ЕХЛ ecl.

А + Х + (...)# (А…Х)* А* + Х А + Х+ ecl. (1)

В об'ємі ОХ-сенсора знаходяться розчинені реагент А і аналіт X. Визначення X проводять непрямим ЕХЛ-аналізом. При подачі негативного імпульсу напруги молекули А відновлюються на катоді, переходячи в аніон-радикали (АР) , аналіт окислюється на аноді до катіон-радикалів (КР) (стрілка 1, рис. 1). прямують до катода, і, підійшовши до , рекомбінують з утворенням проміжного стану (...)# - активованого комплексу (АК), стрілка 4. Після розпаду АК утворюються дві молекули: незбуджена Х (стрілка 3) і збуджена А* (стрілка 4). Молекула А* випромінює квант ЕХЛ, переходячи в основний стан (стрілка 5), замикаючи цикл перетворень, що протікають в сенсорі. Далі цей цикл повторюється так довго, як це потребує технологія аналізу.

Як математичну модель процесів двочасткових взаємодій, що протікають на молекулярному, точніше, електронному, рівні в ОХ-сенсорі, що визначають мікроскопічну кінетику ЕХЛ, обрано рівняння Рутаана квантової механіки для систем із закритою та відкритою оболонками. Ці рівняння широко використовують для знаходження електронних властивостей молекул та взаємодіючих молекулярних систем, що розглядаються в роботі. Рівняння, з відповідними коефіцієнтами cpi, мають вигляд:

, (2)

, (3)

де - матричний елемент оператора Хартри-Фока (індекси p і l визначають атомні орбіталі (АО) p і l електронів м і в атомі p);

Hpl - матричний елемент гамільтоніана з урахуванням електрон-електронної взаємодії орбіталей p і l;

Spl - матричний елемент інтеграла перекривання АО p і l, відбиває неортогональність хвильових функцій p і l.

Мета використання даної моделі, тобто рішення рівнянь (2) і (3) - одержання інформації про молекулярні орбіталі (МО) i даної молекули, тобто хвильові функції (м) м-го електрона у вигляді лінійної комбінації АО (ЛКАО) та повну енергію E молекул (іон-радикалів), вираз (4):

, (4)

де Ei - сума кінетичної й потенційної енергії, обумовленої притяганням електрона на орбіталі i до ядер;

Iij, Kij - відповідно, обмінний і кулонівський інтеграли.

Розрахунки матричних елементів, що входять у рівняння Рутаана, для знаходження МО окремих молекул і взаємодіючих молекулярних систем проведено наближеним напівемпіричним методом самоузгодженого поля (СУП). Використано метод СУП у вигляді алгоритму. Обчислення повної енергії й електронних властивостей системи в процесі ЕХЛ-аналізу по даному алгоритму полягає в наступному:

- задають довільний набір коефіцієнтів cil і знаходять Fpl;

- для знайдених Fpl визначають i - множники Лагранжа, що відповідають по фізичному вмісту власним значенням повної енергії E;

- для нового набору коефіцієнтів cpi знову знаходять Fpl і т.д. доти, поки не буде знайдений “самоузгоджений” набір коефіцієнтів, що визначається значеннями Fpl, які приводять до вихідних значень cpi, що враховують внесок p-ої АО в i-у МО.

Рішення рівнянь (2), (3) у даній роботі, тобто математичне моделювання, проведено з використанням розробленого алгоритму за допомогою програмного продукту HyperChem із розробленим скріптом програми. Подібні обчислення для аналітичних ЕХЛ-процесів у світовій літературі невідомі і проводяться вперше. Розраховано молекулярну систему аналіт (КР гістаміну), реагент (АР антрацену). Обробка результатів здійснювалась у середовищі Excel. Було обчислено заряд на окремих атомах ГА і антрацену (АН), розподіл електростатичного потенціалу тощо. Ці параметри визначають імовірність взаємодії АР і КР, тобто швидкість рекомбінації і, отже, величину аналітичного сигналу сенсора. Розрахована 3D-карта розподілу електростатичного потенціалу заряджених позитивно ядер і негативно - електронної хмари (МО) в КР гістаміну і АР антрацену показує, що найбільша позитивна електронна щільність зосереджена в області аміногрупи катіон-радикала ГА, а негативна - в 9 чи 10 положеннях АР антрацену (через симетричність його молекули). Показано, що електростатична взаємодія даних положень реагенту й аналіту в процесі аналізу найімовірніше призведе до утворення АК. Розгляд ізольованих молекул реагенту й аналіту не дає інформації про процес взаємодії між ними. Цим обумовлена необхідність побудови гіперповерхні потенційної (тобто електронної) енергії (ППЕ), що відбиває залежність енергії молекулярної системи багатьох часток у гіперпросторі від багатьох координат системи, число яких є 3N-5, де N - кількість атомів, тобто енергетична гіперповерхня є 3N-5-мірною. Аналіз профілів ППЕ початкових і кінцевих станів процесу рекомбінації надає інформацію про ймовірний шлях процесу та його фізичні характеристики. Доцільно обмежитися, перетинаючи гіперППЕ 3N-3 або 3N-4 “площиною” у гіперпросторі, однією чи двома координатами, що визначають хід рекомбінації. При побудові перетину гіперповерхні в кожній точці оптимізували координати системи АН+ГА за допомогою алгоритму покрокового спуску і методу оптимізації першого порядку. Результатом математичного моделювання молекулярної системи, що досліджена, стала побудова перетинів гіперППЕ взаємодіючих часток. Частки при взаємодії орієнтовані так, як показано на рис. 3 у вигляді їхніх кулькових моделей.

З аналізу перерізів ППЕ молекулярної системи гістамін-антрацен, можна зробити висновки про механізм аналітичного процесу, рівняння (1). Як можна переконатися, переріз ППЕ, що відповідає початковому стану аналітичного процесу і , перетинається в точці О с перерізом ППЕ, що відповідає кінцевим часткам - електронно-збудженому АН* (емітер ЕХЛ) і незбудженому ГА. Тому різняться енергії активації даних процесів: дуже мале значення (нормаль АО0,03 еВ) відповідає генерації електронно-збудженого АН*, істотно більше значення (нормаль АО1,78 еВ) - обох незбуджених часток.

Це доводить, що перший процес з утворенням емітера і випромінюванням сигналу набагато більш енергетично вигідний, ніж другий. Оскільки останній має високий енергетичний бар'єр, імовірність утворення незбуджених продуктів суттєво нижче, що обчислено у роботі. Це підкреслює високу імовірність одержання значних рівнів аналітичного сигналу Iecl у системі та адекватність вибору антрацену як реагенту на гістамін.

З проведених розрахунків випливає, що найбільш активними є антрацену. Звідси, в аналітичному процесі при визначенні ГА бажано забезпечити доступ речовини-аналіта саме до цих положень молекули, що приведе до найбільш високих значень аналітичного сигналу. Як показують результати моделювання, найбільш ефективним розміщенням молекул реагенту на електроді є орієнтація їхньої площини уздовж площини електрода. Це - один з найважливіших висновків проведеного моделювання, що необхідно враховувати при створенні ефективних конструкцій електродів-датчиків ОХ-сенсора з даним ЕХЛ-реагентом. При цьому перспективна фіксація на електроді молекул реагенту в необхідній орієнтації шляхом використання сучасних технологій, як технології Лангмюра-Блоджетт (Л-Б).

Також було обчислено константу швидкості кар аналітичного процесу рекомбінацій і в ОХ-сенсорі. Дана величина є найважливішим параметром сенсора, оскільки визначає його оптичний аналітичний сигнал. Для цього використано наступний вираз теорії активованого комплексу:

, (5)

де kБ - постійна Больцмана;

T - температура;

h - постійна Планка;

Z, Zа, Zр - статистичні суми АК, аналіту а та реагенту р;

E# - енергія активації,

tr - трансмісійний коефіцієнт - імовірність переходу молекулярної системи а+р через активаційний бар'єр (tr1 для адіабатичних процесів).

Для визначення статистичних сум обчислювали молекулярні маси, моменти інерції і частоти коливань вихідних реагентів і АК у цілому як єдиної лабільної "квазімолекули". Проведені розрахунки дали наступні значення констант швидкості аналітичного процесу в системі аналіт (ГА) + реагент (АН): кар=6,53·1010 (М·с)-1 для процесу з утворенням емітерів ЕХЛ і кар=2,02·10-11 (М·с)-1 для процесу без випромінювання сигналу (незбуджена пара часток). Вперше отримані в результаті математичного моделювання величини кар добре корелюють з даними визначення кінетики рекомбінаційних ЕХЛ-процесів у системі з електрохемілюмінофором антраценом - 1,6·1010 (М·с). Звідси випливає, що аналітичний процес у системі АН+ГА в ОХ-пристрої є дуже ефективним з погляду високої швидкості його бірадикальних рекомбінацій з виходом емітерів ЕХЛ, тобто аналітичного сигналу. Це також підтверджує адекватність проведеного математичного моделювання для вибору реагенту.

У третьому розділі описано розроблені метод і пристрій електрохемілюмінесцентного визначення біологічно важливих речовин у рідких пробах.

Систематизовано поняття - принцип, метод і спосіб виконання (технологія) ЕХЛ-аналізу. Принцип аналізу характеризується використанням явища ЕХЛ для одержання аналітичної інформації. Даний принцип відображає вплив (електроліз), якому необхідно піддати об'єкт і безпосередньо пробу (представницьку частину об'єкта) для одержання аналітичного люмінесцентного сигналу. Метод аналізу, обґрунтування і розробку якого для принципу ЕХЛ-аналізу рідких проб з компонентами біологічного і діагностичного значення проведено в роботі - це стратегія одержання оптимальної інформації про об'єкт дослідження на основі даного принципу аналізу. Метод аналізу вказує хід аналізу, тобто характерні моменти підготовки проби, виміру й обробки результатів, а в зв'язку з енергетичними взаємодіями - форму енергії, яка підводиться до проби і шляхи трансформації енергії. З метою розробки методу ЕХЛ-визначення гістаміну в дисертаційній роботі розглянуто, які стадії методу повинні бути невід'ємними для реалізації аналітичного процесу за допомогою ЕХЛ-принципу на етапі дослідження модельної аналітичної системи з даним об'єктом (ГА).

Механізм процесу випромінювання ЕХЛ у модельній аналітичній системі компонент - електрохемілюмінофор-реагент А. На базі отриманих експериментальних даних, що включають нерівність ох(ГА)< ох(А), доведено, що даний процес може бути описано схемою:

А + е (на катоді), (6)

ГА - е (на аноді), (7)

+ А*+ГА (в об'ємі), (8)

А* А + ecl. (в об'ємі). (9)

Тобто показано, що основною стадією ЕХЛ-процесу в ОХ-сенсорі є рекомбінаційні взаємодії електрогенерованих АР антрацену і КР гістаміну з випромінюванням ЕХЛ - аналітичного сигналу. А саме, інтенсивність Iecl реагенту, згідно (8), (9), є мірою вмісту аналіту - ГА, що доводить коректність запропонованого методу.

Поряд з розробкою нових ЕХЛ-пристроїв, зокрема оптохемотронних сенсорів, спрямованих на розширення номенклатури вимірюваних компонентів, підвищення метрологічних характеристик визначення, ефективності й економічності процесу, однією з центральних проблем залишається вибір електрохемілюмінофору-реагенту, що фактично відповідає за можливість реалізації сенсора на даний аналіт. Вибір ефективних реагентів можна здійснювати як експериментально, так і за допомогою математичного моделювання систем реагент-аналіт, що здійснено у даній роботі. На основі цих та інших результатів уперше сформульовано й обґрунтовано вимоги до електрохемілюмінофору-реагенту для біомедичних аналітичних задач, що дозволяють здійснювати цілеспрямований підбір реагентів на заданий компонент біорідин.

У даному розділі також викладено результати розробки пристрою ЕХЛ-визначення і виміру компонентів біорідин з діагностичними цілями. Проаналізовано склад біомедичної апаратури як важливого засобу фундаментальних досліджень і діагностики. У загальному випадку пристрій для біомедичних досліджень включає три основні частини: біомедичний датчик (БМД), елементи обробки сигналів, вузли індикації і реєстрації досліджуваних параметрів. Запропоновано загальний спосіб побудови ЕХЛ-пристрою для біомедичних задач з центральним елементом - оптохемотронним сенсором та детально розглянуто принципові та конструктивні особливості даного пристрою як БМД. Пошук нових конструкторських рішень при створенні БМД на принципі ЕХЛ спрямований на підвищення ефективності використання методу ЕХЛ-аналізу, скорочення його часу, здешевлення. Даним вимогам задовольняє запропонований пристрій ОХ-сенсора. Він складається з ячейки, електрода-датчика і пристрою реєстрації сигналу.

У роботі як датчик ОХ-сенсора для аналізу різних рідких проб, у тому числі біорідин, уперше запропоновано використовувати упорядковані плівки органічних люмінофорів, що наносяться методом Л-Б на гладкі поверхні оптично-прозорих напівпровідникових електродів. Таким чином, формується ОХ-сенсор довільних (мікромініатюрних) розмірів, який має високу селективність і чутливість на компоненти, що визначають.

Як реєстратор сигналу ОХ-сенсора використовують ФЕП, розташований у безпосередній близькості від електрода (6) зовні сенсора, або з'єднаний з ним (при необхідності) за допомогою світловоду. ОХ-сенсор працює в режимі прокачування розчину, що обумовлює експресність проведення ЕХЛ-аналізів. Під час аналізу фактично не відбувається витрата реагенту, оскільки він фіксований на електроді. З цієї причини аналіз є більш економічним, це особливо актуально при використанні дорогих люмінофорів (ціна яких ~ 1000 доларів США за 1 г і вище). Величина Л-Б шару ~ 10100 Е, габаритні розміри ОХ-сенсора ~ 1см?1см?0,4 см, інші переваги розробки докладно розглянуто в роботі.

У четвертому розділі наведено експериментальні результати визначення гістаміну в модельній аналітичній системі з метою розробки ЕХЛ-технології на базі отриманих у попередніх розділах результатів, виконана статистична обробка даних.

Теоретично (методом математичного моделювання) для задачі дифузійної кінетики ЕХЛ у наближенні напівнескінченної дифузії вивчено можливості аналітичної системи реагент-аналіт, що описується рівняннями (6)(8), з метою знаходження оптимального для аналізу співвідношення концентрацій даних компонентів. Координатні розподіли АН і ГА демонструють, що обумовлене процесом (8) випромінювання ЕХЛ можна спостерігати, якщо концентрація аналіту cаcр (на 35 порядків), при цьому чутливість аналізу sа найбільша (для розрахованої константи ар рекомбінацій).

При проведенні досліджень аналітичний сигнал збуджували вольтамперометричним методом ЦВАМ, що реалізовано у електрохемілюмінесцентному аналізаторі "ЕЛАН-2м". Реєстрацію оптичного відгуку системи - Iecl - здійснювали ФЕП із широким динамічним діапазоном типу ФЭУ-140.

При проведенні експериментальних досліджень було підготовлено 10 розчинів (m=10) з різною концентрацією аналіту і концентрацією антрацену 5 мМ. Кожен вимір аналітичного сигналу проводили 3 рази для кожного з десяти розчинів, визначали середню величину сигналу і відносне стандартне відхилення визначення. Отримані результати вимірів використовували для побудови ГГ.

У матричній формі отримані результати можна представити в такий спосіб: Х - вектор негативних логарифмів концентрації аналіту; Y - матриця значень аналітичних сигналів m розчинів при n вимірах [mn].

На основі проведених експериментальних досліджень і з урахуванням результатів, отриманих у попередніх розділах роботи, була вперше розроблена електрохемілюмінесцентна технологія виміру компонента гістаміну в модельній аналітичній системі в рамках методу непрямого ЕХЛ-визначення. ЕХЛ-технологія включає наступні стадії:

а) створення модельної аналітичної системи з електрохемілюмінофором-реагентом і вимірюваним компонентом;

б) проведення процедури аналізу шляхом збудження люмінесцентного оптичного аналітичного сигналу в системі;

в) реєстрація аналітичного сигналу модельної системи при її електролізі за вольтамперометричним методом ЦВАМ;

г) використання методу кількісного виміру ГА - метод ГГ;

д) статистична обробка аналітичного сигналу;

е) побудова ГГ для модельної системи;

ж) розробка процедур вибору об'єкта аналізу, пробовідбору і пробопідготовки для вимірюваних реальних біологічних об'єктів - біорідин.

Розроблена технологія має такі основні характеристики:

- діапазон вмісту 2-(4-імідазоліл)етиламіну в пробі, нмоль/л - 0,51000;

- нижня границя визначення, моль/л - 10-9;

- похибка визначення 2-(4-імідазоліл)етиламіну, % - 0,1;

- тривалість визначення, хв. - 30;

- відносне стандартне відхилення результатів визначення s=3,6;

- чутливість аналізу sа=dIecl/dcа=1,47.

Найбільш об'єктивною і правильною методикою побудови ГГ є встановлення математичної залежності I=f(cх), яку знаходять методом регресійного аналізу. Усі розрахунки при цьому були автоматизовані шляхом використання програмного пакета MathCAD Professional 2000. Спочатку проведено виключення аномальних результатів, але через їхню відсутність необхідності в додаткових вимірах немає. Потім перевірено однорідність дисперсій за критерієм Кохрена, при цьому гіпотеза про однорідність дисперсії прийнята. Далі за методом найменших квадратів розраховано параметри рівняння регресії виду Y=a+b і по отриманим коефіцієнтам знайдено розрахункове значення аналітичного сигналу для відповідних значень концентрацій аналіту. Після того, як визначено дисперсію між експериментальними даними й обчисленими по рівнянню регресії, розраховано дисперсію “розкиду середніх значень”, дисперсію “розкиду усередині рівнобіжних визначень” і перевірено гіпотезу лінійності ГГ за критерієм Фішера.

гістамін біомедичний люмінесцентний метаболізм

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

Дисертація присвячена вирішенню питань використання явища електрохімічної люмінесценції як принципу аналізу для одержання інформації від рідких об'єктів з компонентами біомедичного значення шляхом розробки методу і пристрою електрохемілюмінесцентного визначення на прикладі виміру змісту гістаміну. Основними результатами роботи є наступні.

1. Проаналізовано люмінесцентні методи і засоби виміру компонентів рідин, що використовуються в біомедицині, роль гістаміну в процесах метаболізму, сучасний стан проблеми визначення гістаміну; показано відсутність відомих розробок методів і пристроїв визначення біогенних амінів за допомогою принципу ЕХЛ.

2. Обґрунтовано фізичну модель процесів, що протікають в ОХ-сенсорі - електронну взаємодію реагенту й компонента, що супроводжується випромінюванням оптичного аналітичного сигналу - ЕХЛ, і математичну модель процесів - квантово-механічний напівемпіричний метод самоузгодженого поля (рівняння Рутаана).

3. Вперше отримано результати математичного моделювання на базі розглянутих моделей процесів в аналітичній системі гістамін-антрацен за допомогою розроблених алгоритму для спеціалізованого програмного продукту HyperСhem, що дозволило: визначити мікроскопічні характеристики цієї системи, профілі поверхонь потенційної енергії початкового і кінцевих станів; обчислити константу швидкості кар ЕХЛ-рекомбінацій; підтвердити ефективність вибору реагенту на гістамін з точки зору отримання високих значень аналітичного сигналу оптохемотронного сенсора, обґрунтувати такий вибір та вимоги до електрохемілюмінофорів-реагентів на заданий компонент біорідини для біомедичних аналітичних задач.

4. Проведено експериментальне обґрунтування обраного електрохемілюмінофору-реагенту шляхом досліджень модельних аналітичних систем та встановлено механізм аналітичного процесу в модельній системі. На основі принципу ЕХЛ-аналізу обґрунтовано й розроблено метод ЕХЛ-визначення, за допомогою реагенту, гістаміну як компонента біооб'єктів, що не володіє власною люмінесценцією.

5. Запропоновано новий біомедичний датчик - оптохемотронний сенсор - для аналізу біорідин із використанням технології Лангмюра-Блоджетт. Сформульовано концепції побудови ЕХЛ-пристрою для виміру компонентів біомедичного значення (на прикладі гістаміну) на базі принципу ЕХЛ-аналізу.

6. Проведено експериментальні дослідження з визначення гістаміну в рідкому середовищі та підтверджено ефективність вибору ЕХЛ-реагенту на гістамін на основі отриманих результатів моделювання, що включають встановлення оптимального співвідношення концентрацій реагент-аналіт в аналітичній модельній системі.

7. Запропоновано нову ЕХЛ-технологію виміру гістаміну в модельній системі з реагентом - антраценом за допомогою розробленого методу аналізу із залученням результатів математичного моделювання й експериментальних досліджень; проведено статистичну обробку експериментальних результатів кількісного визначення гістаміну.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Белаш Е.М., Хрусталев К.Л., Рожицкий Н.Н. Электрохимическая люминесценция (ЭХЛ) в биомедицинских аналитических исследованиях//Электроника и связь.-2000.-Т.1, №8.-С.168-172.

2. Белаш Е.М., Хрусталев К.Л., Рожицкий Н.Н. Проблема электрохемилюминофора-маркера в биомедицинском и иммуноэлектрохемилюминесцентном анализе //Тезисы докладов на Всеукраинской (с международным участием) конференции по аналитической химии.-Харьков.-2000.-С.169.

3. Рожицкий Н.Н., Белаш Е.М., Хрусталев К.Л. Принципы создания эффективных электрохемилюминесцентных тест-систем для биомедицинских и фармакологических аналитических задач//Труды 6-й Междунар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации” (“Новые информационные технологии”). Харьков.-2000.-С.539-541.

4. Хрусталев К.Л., Белаш Е.М., Рожицкий Н.Н. Исследование биологических объектов путем контроля параметров электрохимической люминесценции// Электроника и связь.-2001.-№ 10.-С.45-48.

5. Khrustalev K.L., Rozhitskii M.M. Optochemotronics sensors - theory, experiment, practice//3-rd International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling “LFNM'2001”.-Kharkiv (Ukraine).-2001.- P.180-182.

6. Хрусталев К.Л., Хоменко В.Ю., Хомик В.И. Оптохемотронный сенсор на основе структуры Лангмюра-Блоджетт для определения оксалата в биожидкостях// Труды 5-го Междунар. молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”.-Харьков: ХГТУРЭ.-2001.-Ч. 2.- С.214-215.

7. Хрусталев К.Л. Электрохемилюминесцентный сенсор для определения биогенных аминов//Труды 5-го Междунар. молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”.-Харьков: ХГТУРЭ.-2001.-Ч. 2.-С. 216-217.

8. Хрусталев К.Л., Резникова В.В. Электрохемилюминесцентный маркер для исследования некоторых структурных особенностей молекул ДНК//Труды 5-го Междунар. молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”.-Харьков: ХГТУРЭ.-2001.-Ч. 2.-С.326-327.

9. Хрусталев К. Л., Рожицкий Н. Н. Принципы оптимизации характеристик активных сред оптохемотронных сенсоров//Труды 7-й Междунар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”.-Харьков.-2001.-С.195-196.

10. Белаш Е.М., Рожицкий Н.Н., Хрусталев К.Л. Электрохемилюминофоры как реагенты и маркеры для биомедицинских исследований//Труды Междунар. конф. по люминесценции, посвященной 110-летию со дня рождения академика С.И. Вавилова.-Москва.-2001.-С.164.

11. Хрусталев К.Л., Снежко Д.В., Рожицкий Н.Н. Медико-диагностическая система электрохемилюминесцентного определения гистамина в биосредах. Экспериментальные исследования и математическое моделирование процессов в оптохемотронном сенсоре//Медицина и…-2001.-№ 1.-С.29-38.

12. Хрусталев К.Л., Рожицкий Н.Н., Жук Н.И. Автоматизированная система обработки аналитической оптической информации оптохемотронных сенсоров// Радиотехника.-2001.-Вып. 122.-С. 227-233.

13. Хрусталев К.Л., Снежко Д.В., Рожицкий Н.Н. Оптохемотронные сенсоры - новые элементы биомедицинских диагностических систем. Квантово-механические расчеты молекулярных систем оптохемотронных сенсоров. Система гистамин-антрацен//Проблемы бионики.-2001.-№ 54.-С. 60-67.

14. Хрусталев К.Л., Снежко Д.В., Рожицкий Н.Н. Разработка элементов электрохемилюминесцентной информационной системы, тестирующей содержание биогенных аминов//Проблемы бионики.-2001.-№ 55.-С. 91-97.

15. Снежко Д.В., Хрусталев К.Л., Рожицкий Н.Н. Диагностические системы детектирования веществ медико-биологического и фармакологического значения. Система гистамин-антрацен//Труды XIV Всероссийской научно-технической конф. студентов, молодых ученых и специалистов “Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы” (Биомедсистемы 2001).-Рязань.-2001.-С. 47-48.

16. Хрусталев К.Л. Разработка основных требований к элементам оптического канала информации медико-диагностической системы с электрохемилюминесцентным детектированием//Труды 6-го Междунар. молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. - Харьков: ХНУРЭ.-2002.-Ч. 1.-С. 327-328.

17. Снежко Д. В., Хрусталев К. Л. Квантово-механическое моделирование процессов взаимодействия реагент-аналит в оптохемотронном сенсоре медико-диагностической системы//Труды 6-го Междунар. молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”.-Харьков: ХНУРЭ.-2002.-Ч. 1.-С. 321-322.

18. Snezhko D.V., Khrustalev K.L., Rozhitskii N.N. Computer model of radical recombination processes in optochemotronics sensors//The 10th SID Symposium Advanced Display Technologies “Minsk-2001”.-Minsk (Belarus).-2001.-P. 125-128.

АНОТАЦІЯ

Хрустальов К. Л. Метод і пристрій електрохемілюмінесцентного вимірювання компонентів біорідин на прикладі гістаміну. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - медичні прилади та системи. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2002.

Дисертація присвячена теоретичним і експериментальним дослідженням електрохемілюмінесцентного модельного рідкого об'єкта з компонентом гістаміном з метою розробки методу і пристрою електрохемілюмінесцентного виміру для одержання аналітичної інформації біомедичного значення.

Проаналізовано люмінесцентні методи і засоби виміру компонентів рідин, що використовуються в біомедицині, роль гістаміну в метаболізмі, сучасний стан визначення гістаміну; показано відсутність відомих розробок методів і пристроїв визначення біогенних амінів за допомогою принципу ЕХЛ.

Обґрунтовано фізичну і математичну моделі процесів у оптохемотронному сенсорі з реагентом для визначення гістаміну. Вперше отримано результати математичного моделювання з використанням квантово-механічного підходу, що призвело до визначення мікроскопічних характеристик системи аналіт-реагент, обґрунтувати вибір електрохемілюмінофорів-реагентів для біомедичних аналітичних задач. Сформульовано вимоги до таких реагентів, що дозволяє здійснювати їх цілеспрямований вибір.

На основі принципу ЕХЛ-аналізу обґрунтовано й розроблено метод ЕХЛ-визначення, за допомогою реагенту, гістаміну як компонента біооб'єктів, що не володіє власною люмінесценцією. Запропоновано новий біомедичний датчик - оптохемотронний сенсор - для аналізу біорідин із використанням технології Лангмюра-Блоджетт.

Сформульовано концепції побудови ЕХЛ-пристрою для виміру компонентів біомедичного значення (на прикладі гістаміну) на базі запропонованих ЕХЛ-методу й оптохемотронного сенсора. Запропоновано нову ЕХЛ-технологію виміру гістаміну в модельній системі з реагентом - антраценом за допомогою розробленого методу аналізу.

Ключові слова: аналітична система, аналітичний сигнал, антрацен, біомедичний пристрій, гістамін, вимірюваний компонент, математичне моделювання, метод аналізу, оптохемотронний сенсор, реагент, електрохемілюмінесценція (ЕХЛ), електрохемілюмінофор.

АННОТАЦИЯ

Хрусталев К. Л. Метод и устройство электрохемилюминесцентного измерения компонентов биожидкостей на примере гистамина. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - медицинские приборы и системы. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям электрохемилюминесцентного модельного жидкого объекта с компонентом гистамином с целью разработки метода и устройства электрохемилюминесцентного измерения для получения аналитической информации биомедицинского значения.

Проанализированы существующие люминесцентные методы и способы измерения компонентов жидкостей, используемые в биомедицине, рассмотрены роль гистамина в метаболизме, современное состояние проблемы определения гистамина в биожидкостях с целью диагностики; показана актуальность разработок метода и устройства определения гистамина с помощью принципа ЭХЛ.

Обоснованы физическая и математическая модели процессов в аналитической системе, помещенной в оптохемотронный сенсор с реагентом для определения гистамина. Впервые полученные результаты математического моделирования с использованием квантово-механического подхода позволили определить микроскопические характеристики системы аналит-реагент, включая скорость рекомбинационных взаимодействий, связанную с величиной аналитического сигнала и обосновать подбор электрохемилюминофоров-реагентов для биомедицинских аналитических задач. Сформулированы требования к таким реагентам, позволяющие осуществлять их целенаправленный выбор на заданный компонент биожидкости. Экспериментально обосновано выбор реагента на гистамин.

На основе принципа ЭХЛ-анализа обоснован и разработан метод ЭХЛ-определения, с помощью реагента, гистамина как компонент биообъектов, не обладающего собственной люминесценцией.

Предложена новая конструкция биомедицинского датчика - оптохемотронного сенсора - для анализа биожидкостей с определением их компонентов для целей диагностики (на примере гистамина) с использованием технологии Лангмюра-Блоджетт. Сформулированы концепции построения ЭХЛ-устройства для измерения компонентов для биомедицинских задач (на примере гистамина) с использованием предложенных ЭХЛ-метода и оптохемотронного сенсора.

Проведены экспериментальные исследования определения гистамина в жидкой среде; подтверждена корректность выбора эффективного ЭХЛ-реагента на гистамин на основе результатов моделирования, определивших оптимальное соотношение концентраций реагент-аналит в аналитической модельной системе.

С использованием результатов математического моделирования и экспериментальных исследований предложена новая эффективная ЭХЛ-технология измерения гистамина в жидкостях с помощью разработанного метода анализа, получен предел обнаружения гистамина; с помощью программного пакета MathCAD проведена статистическая обработка результатов количественного определения данного биогенного амина в модельной системе с реагентом - антраценом.

Ключевые слова: аналитическая система, аналитический сигнал, антрацен, биомедицинское устройство, гистамин, измеряемый компонент, математическое моделирование, метод анализа, оптохемотронный сенсор, реагент, электрохемилюминесценция (ЭХЛ), электрохемилюминофор.

ABSTRACT

Khrustalev K. L. Method and device of electrochemiluminescent measurements of components of bioliquids on an example of histamine. - Manuscript.

The dissertation for a Candidate's of Technical Sciences degree by specialty 05.11.17 - Medical Devices and Systems. - Kharkiv National University of Radioelectronics, Kharkiv, 2002.

The dissertation thesis is devoted to the solution of problems of an electrochemical luminescence (ECL) phenomenon usage as an analysis principle for information obtaining from liquid objects with components of biomedical meaning.

The existing luminescent methods and means for liquids components measurement which are used in biomedicine as well as the role of histamine in metabolism and the modern state of a problem of histamine definition are surveyed; the absence of methods and devices development for histamine definition with the help of ECL principle is shown.

Physical and mathematical models of processes in an analytical system placed in an optochemotronics sensor with a reactant for histamine definition are justified. For the first time obtained results of mathematical simulation with usage of processes quantum-mechanical model have allowed to define microscopic characteristics of an analyte-reactant system and to ground the choice of electrochemiluminescer reactants for biomedical analytical tasks. The demands to such reactants are formulated permitting to realize a targeted choice of reactant to a given component of bioliquid.

...